五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工中心加工機(jī)翼型葉片工藝技術(shù)研究一、加工方式概述機(jī)翼型葉片,，截面呈機(jī)翼型，空間呈三維扭曲造型,，在軸流式透平壓縮機(jī)中有廣泛的應(yīng)用，其加工制造已普遍采用五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)精工機(jī)床來完成,。 五坐標(biāo)加工中心對(duì)葉片及葉根的加工,，通常采用如圖1所示的方式進(jìn)行。葉片毛坯裝夾在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)A軸上作360°的旋轉(zhuǎn),，主軸銑頭則在C軸方向擺動(dòng),。實(shí)際加工過程中，氣動(dòng)頂尖對(duì)其頂部進(jìn)行頂緊,。葉片的加工可分粗加工,、半精加工和精加工三步來完成。葉片的精加工的******方式是由五軸聯(lián)動(dòng),，以高速螺旋式切削法來完成,，這種加工方式的效率最高，加工出的葉型也最理想,。 葉片型面部分通常用面銑刀加工,，面銑刀切削效率較高，但面銑刀在C軸方向不能有固定擺角,，加工至葉根部分時(shí),，為避免干涉，靠近葉根部分的葉型通常用球頭銑刀加工,，在C軸方向偏轉(zhuǎn)一固定角度,，以避開刀具與葉根的干涉。在C軸方向的這個(gè)偏轉(zhuǎn)角度太小無法避免干涉,，太大則有可能在另一面的葉型處產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。對(duì)于扭曲度較大的動(dòng)葉片，這一點(diǎn)尤其重要,。 二,、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 透平機(jī)械中的軸流壓縮機(jī)和TRT軸流式能量回收膨脹葉片的葉型，設(shè)計(jì)圖樣對(duì)型面的表述,，通常是幾個(gè)截面的葉型數(shù)據(jù),，可能是空間點(diǎn)陣，也可能是多段圓弧線,。須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前期處理,，主要工作內(nèi)容是光順、旋轉(zhuǎn),、平移,，使設(shè)計(jì)坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)一起來，即設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)的統(tǒng)一,。采用高速螺旋式切削法加工葉片,，對(duì)葉片的型面曲線光滑連續(xù)性設(shè)計(jì)要求很高。葉片型面(背弧面,、內(nèi)弧面,、進(jìn)出氣邊圓角)不得有尖點(diǎn)、折點(diǎn),、節(jié)點(diǎn),，否則在高速切削狀態(tài)下，刀具極易在瞬間產(chǎn)生較大振動(dòng),，造成設(shè)備事故,。葉型不光順的另外一種情況是在造型過程中，雖然每個(gè)截面的型線是光滑連續(xù)的函數(shù)曲線,，但沿軸形成三維造型時(shí),，型面不光順，中間有“波浪”狀起伏,，這種情況通常要經(jīng)過對(duì)各截面基準(zhǔn)的調(diào)整來修正,。 對(duì)同一截面內(nèi)數(shù)據(jù)無法形成光順的樣條曲線的情況，必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修改,。具體方法是在截面曲線上,，取n個(gè)點(diǎn)，曲率大的地方取點(diǎn)密,，曲率小的地方取點(diǎn)疏,，分別作這些點(diǎn)的法線，如圖2和圖3所示,。圖3的光滑連續(xù)曲線各點(diǎn)法線方向變化平緩,，圖2為較差的原始數(shù)據(jù)形成的截面曲線,，其不同節(jié)點(diǎn)的法線方向變化劇烈，截面曲線顯然是不光滑的,，如果以這樣的截面曲線生成三維空間造型，葉片型面凹凸不平,，加工中不能實(shí)現(xiàn),。圖1 對(duì)葉片、葉根的加工方式 圖2 原始數(shù)據(jù)形成的截面曲線 圖3 修改數(shù)據(jù)后的截面曲線三,、數(shù)學(xué)建模 機(jī)翼型葉片各截面數(shù)據(jù)列表表述,，沿機(jī)翼周向各截面均勻布點(diǎn)給出，軸向沿直素母線對(duì)應(yīng)給出,。 基于上述情況,，葉片造型第一步是在二維平面內(nèi)進(jìn)行，每一個(gè)截面都在平面內(nèi)形成一條封閉的曲線,，每條曲線在葉片長度方向都有一個(gè)固定的位置,。按照固定的位置將各個(gè)截面先旋轉(zhuǎn)，然后平移,。葉片的葉型一般來說有兩種形式,，一是由樣條曲線組成，進(jìn)氣邊和出氣邊分別有兩段圓弧過渡,；二是由多段圓弧組成的一條封閉曲線,。在造型時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)。 葉型的截面曲線必須光滑連續(xù)封閉 對(duì)于葉型曲線不封閉的情況,，譬如進(jìn)出氣邊的圓弧與內(nèi)背弧曲線不相切,，就要改變圓弧圓心的位置，或是改變圓弧圓心的半徑,，或是對(duì)內(nèi)背弧曲線的端點(diǎn)作相應(yīng)的調(diào)整要保證葉片弦長不變,。為保證弦長不變，可作一條與弦長相切,，且與已知進(jìn)氣邊(或出氣邊)圓弧相切的直線,，然后分別作兩條過內(nèi)背弧曲線端點(diǎn)，且與內(nèi)背弧曲線相切的直線,，這樣就形成三條直線,，作一與這三條直線相切的圓，這個(gè)圓即與內(nèi)背弧相切,，起光滑過渡作用,，同時(shí)也保證了弦長不變。 葉片的進(jìn)出氣邊邊緣應(yīng)分別是兩條光滑的曲線 通常情況下,，對(duì)于一個(gè)葉型數(shù)據(jù)完全正確的葉片,，造型完成后,，應(yīng)是如圖4所示，進(jìn)出氣邊的邊緣是兩條光滑的曲線,。但有時(shí)進(jìn)出氣邊邊緣有時(shí)呈“波浪狀”起伏,。解決這一問題的方法是選用5個(gè)以上截面處在進(jìn)出氣邊緣上的端點(diǎn)，形成二次曲線,，二階連續(xù)，以此修正其他截面數(shù)據(jù)的進(jìn)出氣端點(diǎn)數(shù)據(jù),。圖4 造型完成的葉片 刀具過切的計(jì)算 避免刀具過切的方法有兩種,，即改變刀具直徑或改變切削角度。曲率較大的葉片型面,，過切情況比較容易發(fā)生,，對(duì)于凸型曲面加工時(shí)，刀簇沿型面法矢切削時(shí),，過切現(xiàn)象不易發(fā)生,；對(duì)于凹型曲面用刀簇仍沿型面法矢切削，會(huì)受曲率半徑的影響產(chǎn)生過切,，這時(shí)避免刀具過切應(yīng)優(yōu)選改變刀具半徑的方法,。在造型的同時(shí)計(jì)算刀具直徑和切削角度，可以大大提高編程效率,。如圖5所示,，其方法是，在已經(jīng)造型好的封閉的葉片截面曲線上,，均勻地取n個(gè)點(diǎn),，然后在第一個(gè)點(diǎn)上，定義一把假想的刀具和一個(gè)假想的切削角度,，以遞次循環(huán)的方式使刀具按確定的切削角度依次通過截面上的每一個(gè)點(diǎn),，同時(shí)觀察是否有過切現(xiàn)象，如果有,，則修改刀具直徑和切削角度,。由于這時(shí)觀察到的切削情況是在二維空間中，只是針對(duì)某一個(gè)截面,，并不能反映出實(shí)際的三維加工情況,，因此還需作進(jìn)一步技術(shù)上的處理，即將相鄰兩個(gè)葉片截面投影在同一個(gè)平面內(nèi),，如果截面距大于刀具直徑,，在投影圖上，刀具與相鄰兩個(gè)葉片截面也不產(chǎn)生過切,，那么就可以認(rèn)為假想中的刀具直徑和切削角度是合適的,。為了提高切削效率,，在不產(chǎn)生過切的情況下，盡可能采用大直徑的刀具,。 坐標(biāo)系的建立 任何一個(gè)零部件在精工機(jī)床上加工,，都要建立一個(gè)三維坐標(biāo)系。實(shí)際加工中,，合理地建立坐標(biāo)系可以簡化編程,，方便對(duì)刀。通常要保證設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)相統(tǒng)一,，在加工中心上盡可能將X坐標(biāo)系建立在葉片軸線上,，即X軸與葉片軸心重合，這樣就等于確定了Y軸和Z軸的原點(diǎn),。對(duì)于轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片來說,，葉片葉型與葉根有一段光滑連接的部分，叫做過渡弧,。過渡弧位于葉根的部分通常是一個(gè)圓柱面或是球面,，可將X軸的原點(diǎn)確定在上述圓柱或是圓球的球心上。對(duì)于轉(zhuǎn)子的靜葉來說,，過渡弧位于葉根的部分可能是圓柱面或是球面,，也可能是斜面。如果是圓柱面或是球面,，X軸原點(diǎn)的確定方法與動(dòng)葉相同,；如果是斜面，X軸原點(diǎn)的確定方法可根據(jù)對(duì)刀情況確定,。 葉型的延伸和截取 在通常情況下,，機(jī)翼型葉片的設(shè)計(jì)圖中，只給出幾個(gè)截面的列表曲線數(shù)據(jù),，而實(shí)際的葉型有可能比給定的截面確定的葉型長,，也有可能比它短。如果是第一種情況,，就要對(duì)葉型進(jìn)行延伸,，如果是第二種情況，就要對(duì)葉型截取,。相對(duì)來說,，對(duì)葉型的截取要好處理一些，只需用一個(gè)平面或復(fù)合曲面在特定的位置截取葉型,，獲得一個(gè)新的截面,，采用新截面的數(shù)據(jù)便可形成所需的葉型實(shí)體。對(duì)葉型延伸時(shí),，還需對(duì)葉型作一次光順處理,，上述做法線方法的光順僅為平面曲線,，葉型延長以后為空間曲線，即分別對(duì)其在兩個(gè)或三個(gè)坐標(biāo)平面內(nèi)的投影曲線進(jìn)行光順,。實(shí)際上一般只需要將空間曲線投影到兩個(gè)平面上,，對(duì)得到的兩條平面曲線分別光順后，再合成空間曲線(即將三維作為二維處理),。實(shí)踐證明,，一般情況下，一條空間曲線在各坐標(biāo)平面內(nèi)的投影曲線是光順的,，該空間曲線也是光順的,。 圖5 刀具過切計(jì)算 圖6 調(diào)整擬合曲線的參數(shù) 四、切削參數(shù)的確定 擬合曲線的參數(shù) 切削參數(shù) 刀具加工葉片型面時(shí),，需要將三個(gè)直線軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)合成，以實(shí)現(xiàn)所需輪廓的運(yùn)動(dòng)軌跡,。在實(shí)際計(jì)算過程中可適當(dāng)調(diào)整如圖6所示的三個(gè)參數(shù),，來滿足葉片的技術(shù)條件。MND是用以確定控制葉型誤差的角度,，每個(gè)截面葉型曲線都可分為無數(shù)個(gè)小段,，每一小段內(nèi)都可認(rèn)為其曲率是相同的，MND的數(shù)值大小直接決定插補(bǔ)時(shí)相鄰兩點(diǎn)的疏密,，MND的數(shù)值越小,，相鄰兩點(diǎn)之間越密，加工出的葉型精度越高,。MCD是控制相鄰兩點(diǎn)間的直線距離,，ERRCDR是控制相鄰兩點(diǎn)之間的弦高差，與MND的數(shù)值一樣,，不同的MCD和ERRCDR值確定不同的疏密,。 切削參數(shù)中，由于空間曲面一般都采用行切法加工,，故都必須計(jì)算或確定行距與步長,。 行距S 行距S的大小直接關(guān)系到加工后曲面上殘留溝紋高度的大小，大了則表面粗糙度大,，但S選得太小,，雖然能提高加工精度，減小鉗修困難,，但程序冗長,，占機(jī)加工時(shí)間成倍增加，效率降低,。因此,，行距S的選擇應(yīng)力求做到恰到好處,。 切削角度 用面銑刀加工葉型時(shí)，面銑刀的底面與葉片型面切削點(diǎn)的切線方向之間的夾角的選取非常重要,，如有不當(dāng),，極易產(chǎn)生過切現(xiàn)象。確定切削角度在實(shí)際生產(chǎn)中通常采用作圖法,。具體方法是用繪圖法作出如圖5所示的葉片某一截面的輪廓圖,，然后在截面上均勻地取n個(gè)點(diǎn)，以其中的某一個(gè)點(diǎn)為假想切削點(diǎn),，同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn),，確定一個(gè)任意的切削角度，并作出刀具截面圖,，然后用循環(huán)語句使刀具依此走過n 個(gè)點(diǎn),，同時(shí)觀察是否有過切現(xiàn)象，如果有,，調(diào)整切削角度,，并重復(fù)上述工作，直至無過切時(shí)為止,。 主軸轉(zhuǎn)速,、進(jìn)給量及切削深度 具體采用多大的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削深度,，要視葉片材料,、刀具直徑、加工方式等情況綜合考慮,。五坐標(biāo)葉片加工中心通常采用高速切削,。 五、刀具軌跡模擬 經(jīng)后置處理產(chǎn)生的NC程序,，須經(jīng)相關(guān)軟件自動(dòng)模擬加工,，以檢驗(yàn)其正確性。具體方法是將產(chǎn)生的NC程序的刀具軌跡顯示出來,，如圖7和圖8所示,，根據(jù)刀具軌跡曲線來判斷NC程序的正確性。僅僅根據(jù)刀具軌跡還無法完全檢測出NC 程序的正確性,，最終還須在加工中心上進(jìn)行試切,，對(duì)試切件進(jìn)行嚴(yán)格的檢測。圖7 刀具軌跡 圖8 刀具軌跡計(jì)算機(jī)模擬加工仿真顯示,，還可以提示過切及殘留情況,；同時(shí)將機(jī)床實(shí)體的參數(shù)進(jìn)行程序化處理后，還可顯示機(jī)床刀具夾具的實(shí)際加工狀態(tài)，檢查干涉情況,，避免發(fā)生意外,。 六、葉根的加工 葉根的加工是葉片加工的一個(gè)重要組成部分,，在這之前,，通常葉根是在葉根銑床上，用成形刀具進(jìn)行加工的,。既然葉型的加工可以通過一次裝夾,，完成從粗加工到半精加工再到精加工的全部過程，而且整個(gè)加工過程全部都由精工程序保證,，那么葉根的加工也完全可以采用這種方式,。采用高速銑對(duì)葉根的加工在國外已是成熟技術(shù)，國內(nèi)一些廠家也有采用這種加工技術(shù)的,。采用葉片加工中心對(duì)葉型和葉根采用一體化加工則是一種新的償試,。 大型TRT葉根的結(jié)構(gòu)通常為圖9和圖10所示。圖9 大型TRT葉根結(jié)構(gòu) 圖10 大型TRT葉根結(jié)構(gòu)葉根的加工和葉型的加工一樣,，通常也分為粗加工半精加工和精加工三部分,。為了提高效率，粗加工通常采用較大直徑的模具銑刀加工,，僅給葉根齒型留0.2mm的余量。半精加工的主要目的除了清根以外,，還需保證精加工的余量要均勻,，根據(jù)掌握的現(xiàn)有資料，為精加工留0.1mm余量,。精加工是最關(guān)鍵的加工工序,，為提高效率和保證表面粗糙度，其切削參數(shù)的確定非常重要,。為了減小表面粗糙度值,，精加工通常采用單向加工，單向加工雖說增加了刀具的空行程,，延長了加工時(shí)間,，但單向加工所取得的加工質(zhì)量是有保證的。